基于GSM的剩余电流动作保护器远程监测系统设计

        剩余电流动作保护器是低压电网中的重要保护装置，在农网的智能化改造中对剩余电流动作保护器的实时状态监测，可以大大提高工作效率和节约人力成本。针对农网设备分布区域大而散的特点，本文提出了一种基于GSM 的剩余电流动作保护器远程监测系统设计方案。
剩余电流动作保护器远程监测系统（简称检测系统） 由前端剩余电流动作保护器、单片机控制系统、GSM 短信收发模块、监控计算机和移动终端构成。一个单片机控制系统同时连接多台剩余电流动作保护器，进行数据通信和传输控制。
监测系统控制用的单片机选用某公司的MC68HC90JL8产品，检测连接到的剩余电流动作保护器状态并完成相关数据通信。设备状态数据以短信方式传送，通过GSM 收发模块到移动终端或监控计算机上。
短信收发模块选用某公司的 G100 型号产品，集成了关键的GSM 模块TC35i 以及模块的射频处理电路、SIM 卡槽和MCU 微处理器单元，利用 RS232 通信协议实现透明数据传输。
1 监测系统工作原理
剩余电流动作保护器作为系统前端，安装在各个低压电网控制箱内，自动监测用电线路的状态数据（包括负载电压/负载电流/ 漏电电流等）。当用电线路发生过载、短路、缺相、过压、欠压或剩余电流故障跳闸情况时，剩余电流动作保护器就会通过核心单片机控制系统和GSM 短信收发模块向移动终端或监控计算机发送短信，主要内容包括告警地点、告警线路、告警原因、告警数值等状态数据。管理人员就可以据此及时掌握故障信息，迅速采取措施，保证正常供电。
在整个系统工作过程中，单片机控制系统不但对保护器状态数据进行了实时监测，当用电线路的状态和数据发生变化时，能够自动将告警信息发送到管理平台和移动终端上。同时，单片机控制系统还可接收管理人员的指令进行对应操作。
当控制系统接收到短信形式的指令后，也能实时采集剩余电流动作保护器的状态信息和数据参数，并回传给监控平台和移动终端，供管理人员分析和统计。
在管理平台上，监控计算机通过收集到的各个用电线路剩余电流动作保护器的状态信息与数据参数，基于已有的比对数据，对运行情况进行统计分析，并且能以输出报表的形式为管理部门决策提供有效的参考信息。


       

2 监测系统硬件设计
监测系统采用有比较优势的功能模块化设计，主要可分为单片机控制系统与通信模块设计；其中单片机控制系统与通信部分设计包括硬件电路设计、软件设计。
控制系统与通信模块主要由核心单片机、电源处理电路、键盘输入电路、信号处理电路、液晶显示电路、GSM 收发模块等单元构成，如图1 所示。


图1 监测系统功能模块和外部连接结构图

根据实地调研分析，一般情况下连接在同一低压电网变压器上的剩余电流动作保护器基本布局在同一配电柜中，安装的保护器的数量相对较少，并且相互安装之间距离较近，这是在低压电网中剩余电流动作保护器的安装特点。针对其特点本系统中剩余电流动作保护器与单片机控制系统的连接采用 TTL 电平直接方式，同时满足每个单片机控制系统可以连接控制4 个剩余电流动作保护器。
单片机控制系统和GSM 收发模块的供电主要采用AC220V 输入经过变压、整流、滤波后来供给其使用；剩余电流动作保护器的编号由单片机控制系统的通讯接口编码来决定；按键输入部分采用 4*4 行列扫描查询的方式，实现数字和相应字符命令的输入；显示单元部分采用点阵显示液晶，既能显示按键输入对应中文信息，也在收发短信、收发模块初始化和工作失常状态下显示相应的告警信息。


       
3 监测系统软件设计
3.1 系统主要功能
监测系统主要实现以下功能：
（1）实现对所控制的剩余电流动作保护器的状态数据采集；
（2）按照规定格式，实现收发模块之间的双向通信；
（3）实现对剩余电流动作保护器的状态数据的分析、处理、编码工作，并生成数据帧，再通过GSM 模块将数据发送到监控计算机和移动终端上；
（4）实现对接收到的短信的解码、分析、处理，将控制命令作用于剩余电流动作保护器，使之完成相应的动作；
（5）此外，可以灵活实现利用按键来设置或更改要发送的手机号码，同时在液晶单元上显示相关信息；
（6）将剩余电流动作保护器的各种故障显示在液晶单元上。
3.2 主要功能模块设计
3.2.1 数据采集模块设计
单片机数据采集模块对所连接的多台剩余电流动作保护器的状态数据进行实时采集。剩余电流动作保护器本身会在线路上有欠压、过压、短路、漏电流过大等故障发生时有相应的保护动作，现在，单片机要对这类故障信息做到即时的采集，并做出相应的识别、处理，以判断出发生故障的具体线路和具体的故障类型。后期完成故障信息整合，准备发出线路故障告警信息，故障信息内容一般包括发生故障的地点，线路和具体的时间等。图2 为数据采集模块程序流程图。


图2 数据采集部分程序流程图



       
3.2.2 TC35i 模块初始化
监测系统软件的另一主要功能是实现数据的可靠双向通信传输。一是能准确地把线路的具体告警信息及时发送给计算机管理平台或移动终端上，一线管理人员可以实时掌握线路的运行状态；二是能实现被动的查询，在管理人员发送的查询请求信息传输给单片机系统，单片机系统完成相应的查询任务并把获得的信息重新发送回管理人员。
数据通信部分的软件设计主要包括 TC35i 模块的初始化、接口定义、对短信的编码格式设定以及与单片机的通信等内容。
监测系统中TC35i 模块初始化过程为：
（1）发送握手信号（3 个字节的数据），也就是指令AT ;
（2）发送指令AT+IPR=9600，设置串口通信波特率为9600HZ ;
（3）发送指令AT+CSCA=+8613800573500，设置短信服务中心号码；
（4）发送指令AT+CNMI=2，1，设置短信的工作模式；
（5）发送指令AT+CMGF=0，短信发送采用PDU 编码模式。
从以上分析可以看出，TC35i 模块初始化时，通过发送一系列的AT 指令就可以完成工作方式的相关设置。
3.2.3 发送线路告警短信
剩余电流动作保护器在线路故障时的相关状态信息被单片机采集并处理编辑，具体内容包括故障位置、线路标号、采集时间，最后通过TC35i 模块将短信发送给管理平台。管理平台如果成功接收短信，系统能自动返回“OK”信息，提示告警短信发送成功；相反，短信如果发送失败，系统能在短暂延时后重发信息，以保证故障报警信息的成功接收。
3.2.4 系统接收查询短信
要使系统能接收短信，先要在TC35i 初始化过程中设置系统工作方式为可以接收短信。处理流程是，管理人员可以实现通过监控计算机或者移动终端发送规定格式的查询请求短信，请求短信通过TC35i 模块经过GSM 网络传输给中心控制系统，单片机成功接收信息后经过信息解码、读取、识别、判断等处理，对查询信息的正确性进行判断。如果是的正确查询信息，单片机系统执行查询请求并将查询结果以短信的形式回传给管理人员；如果是错误的查询请求，系统不予执行，并返回“ERROR”警告信息进行提示。
管理人员发送的查询信息的格式规定为：线路编号+ 剩余电流动作保护器编号。
3.2.5 液晶显示模块
该部分主要针对选取的 LCM12864 点阵液晶显示模块进行编程。LCM12864 点阵液晶显示模块的优势在于内置行列驱动控制模块，有专门的液晶模块指令集，模块的指令比较简洁，包括显示开关指令，显示起始行控制命令，页设置命令，列地址设置指令，读状态指令，写状态指令和读数据指令。通过编程，最终实现 128 点*64 点大小的平板显示。
3.2.6 键盘输入设计
系统设计中选择矩阵式键盘，为单片机系统节省了I/O口资源，采用扫描法来进行行列键盘的扫描来获取键盘输入的键值。具体程序实现流程如下：
（1）第一步判断是否有按键按下。先向行扫描口输出全零扫描码，再从列检测口开始检测信号，只要有信号不为“1”，就表示有键被按下，并判断按下键所在的列。
（2）第二步查询按键所在的行和列的位置。第一步已经得到了按下键所在的列号，下来只要确定按键所在行。即采取的是逐行扫描的方法，进行逐行检测，直到找到按下键所在的行。
（3）第三步对以上获得的行号和列号进行译码就能得到具体的键值。
4 系统调试结果分析
经过前期的局部仿真和后期多次实体试验，本系统实现预定全部功能并正常工作：实时数据或故障信息可GSM 网络可靠发到计算机平台和移动终端上；对于管理人员的查询请求能做到即时准确回复；管理人员也可以通过键盘更改手机号码，在LCD 显示相关信息。该系统完成软硬件开发、调试后，经过测试，所有功能和性能指标均达到系统功能要求。
5 结论
本方案中所设计的监测系统通过GSM 网络进行通信，可以覆盖整个线路上的保护器，无线通信方式可以使其不受安装地点的限制。在实际应用中，本监测系统简洁、实用、性价比较高。在设计时，主要考虑到现阶段对成本、可靠性等因素的要求，但随着相关技术的发展，采用更为先进的3G 网络或是物联网技术，在较大供电范围内，对剩余电流动作保护器实现联网管理，处理的数据量可以更大，管理起来也更加方便，应用层面可以更智能化。